1937年11月，党中央任命徐特立为国民革命军第十八集团军高级参议、驻湘代表，回湖南领导八路军驻湘办事处的工作。这次，党中央之所以派他回湖南工作，是知道他在湖南有着崇高的威望，希望他依靠当地党组织和广大民众，团结各阶层人士积极抗日，同时与反动派展开有理有利有节的斗争。刚刚回到长沙，他就在电影院举行演讲，接见各报社记者。此后的一段时间里，他在当时的联合大学、青年会礼堂、教育会、荷花池中央戏剧学院（设长沙师范内）、第一师范和火宫殿等处作过多次讲演，积极宣传党的抗日主张，说明自己回湘的任务及抗日救国中的各种问题。他在许多场合，着重地批判了“速胜论”和“亡国论”这两种错误倾向。他坚定地指出：对日本帝国主义幻想和平是不行的，绝对绝对不可能，惟有从抗战中求解放才是出路，最后的胜利不属于日本帝国主义，而一定是属于我们！他的回湘，使湖南人民又能够听到党中央、毛主席的声音，对湖南各阶层人民紧密集合在党的抗日方针旗帜之下，起了很大的宣传和组织作用。为了配合抗日战争的发展，徐特立主要抓了三件事：一是主办党员训练班，培养抗日领导骨干，二是创办多种报刊杂志，广泛从事党的抗日方针政策的宣传，三是广泛组织群众性的救亡团体，进行各种救亡活动。徐特立在长沙期间，认真执行党的统战政策，重视对国民党的上层人物及民主党派人士的统战工作。他和赵君迈、张治中等人都有联系，和他们以诚相见，坦率交谈，团结他们一起抗日。徐特立在湘期间，为了阐述有关抗战的许多重要政治问题，他运用马列主义的观点，根据党的方针政策，联系当时的实际情况，写了大量的重要文章。仅仅在他开始回到湖南的十二个月里，他就写了几十篇近30万字的宣传抗日的文章在当时的报刊陆续发表。1938年5月，“播种社”将其中的12篇汇编成书，出版发行，约12万字，取名《抗战中的政治问题——徐特立先生论文集》。在这本书里，徐特立回答了人们迫切关心的很多问题，阐述了共产党、八路军对时局的看法和对祖国、民族命运的思考，为团结广大人民群众投入到抗日中起了非常重要的推动作用。
1940年秋，徐特立返回延安，正值陕甘宁边区教育厅召集第三届三科科长会议。8月13日，一贯热爱和关注教育工作的徐特立，不顾长途跋涉的疲劳，立即赶去参加了会议的开幕式，并在会上致词。会议期间，他又给与会者作了各科教学法的专题报告。11月7日，陕甘宁边区新文字协会成立，徐特立作为主席团成员参加了成立大会。他始终是新文字运动的一个积极热情的推动者。12月，党中央任命他为延安自然科学院院长。徐特立认为党中央关于创办延安自然科学院的决定是有政治远见、具有历史意义的。因此，他及早着手创办延安自然科学院，有计划有领导地发展自然科学教育，为党培养科技人才，这不仅是夺取抗战胜利的需要，也是革命在全国取得胜利后开展大规模经济建设的需要。在徐特立的苦心经营下，延安自然科学院成了一所初具规模的高级学府。它设有大学部、高中部、初中部，还有青年技工学校，学生增至三百人，年龄最小的学生只有十二、三岁。这些学生，通过几年的学习，打下了一定的自然科学知识基础。全国解放后，这些学生中的不少人经过进修后，成为新中国的第一代科技工作骨干。现在，他们分布在科技战线和经济战线上，有的担负了重要的领导责任。1941年，徐特立担任中央宣传部副部长兼自然科学院院长后，为了进一步阐述加强基础科学知识教育的重要性，加强全党同志和广大群众对发展自然科学重大意义的认识，并从理论上解决培养科技人才方向问题，他先后撰写了《怎样进行自然科学的研究》、《怎样发展我们的自然科学》、《祝“科学园地”的诞生》、《对牛顿应有的认识》等文章。在这些文章中，他首先指出了科学与政治的辩证关系。他认为科学，是国力的灵魂，同时又是社会发展的标志。科学，诞生在新民主主义制度的边区，一定要偕着前进的政治一同前进，政治为科学扫除一切发展上的障碍，科学也为政治增加着一切物质的基础。他说：“科学的中心任务当然是经济建设……至于科学对于启蒙运动和理论水平的提高，却是永久的远大事业。”他又说；“无论是一般的研究，专门的研究，理论的研究和技术的研究，其总的任务只有一个：即在物质上加强和扩大我们的抗战建国力量。”在发展科技教育方面，徐特立十分重视群众性学术团体的研究活动，他曾发动延安科技界着手组织各种学会，广泛开展科研活动。
1941年11月，徐特立当选为边区参政会的参议员。不久，《解放日报》就他的生平事迹作了详细的报道，热情地称赞他是一个“坚强，活泼，有远大计划，有独特目标，主张自由研究，主张探讨批判，耐心从事，长期埋头，不干涉别人私事，着重实验精神”的人。
1942年1月18日，延安新教育学会正式成立。教育行政干部和教师代表120余人参加了成立大会。徐特立被选为学会理事长。他领导新教育学会开展了许多有益于研究教育理论、改善教育方法、提高教育质量的工作。此外，徐特立还积极参加延安文艺界的一些活动。
1942年4月11日，延安鲁迅艺术学院举行庆祝建校四周年大会，徐特立高兴地参加了庆祝活动。“鲁艺”成立于1938年10月，徐特立是发起人之一，为“鲁艺”的创办和发展做过不少工作。
1945年4月，党在延安召开了第七次全国代表大会。徐特立当选为第七届中央委员会委员。6月11日，大会闭幕的那一天，代表们热烈鼓掌欢迎他讲活。他满怀激情走上讲台，异常兴奋而坚定地说；“我们一定要一个独立的中国。反对任何想把我们重新沦为殖民地的人。我这个人没有别的，一句话，根本上就是一个民族主义者，现在是共产主义的民族主义者，我一生来就是反对帝国主义的，我没有别的知识，从前糊里糊涂，反对帝国主义，我想这一点我不错，其他的我糊涂，这一点我不糊涂。”代表们听了他的讲话，无不为他的这种强烈的爱国主义精神所感动。
1946年底，国民党反动派准备向延安大举进攻。这之前，他遵照党中央的安排，带领中央宣传部教育研究室的一部分同志撤离延安，先行到了绥德。不久，党中央作出决议，要为他庆祝七十大寿，并已通过电台向全国播送了这一消息。他深切感到党中央在战事紧迫的解放战争时期为他祝寿的政治意义，但一想到民间疾苦总觉耿耿于怀。在他70岁寿辰的前两天，中央办公厅派人把他从绥德接回延安。过生日的头天晚上，毛泽东、朱德等中央领导同志来到他住的窑洞，按照当地的风俗习惯，亲切地为他“暖寿”，在一起吃了“长寿面”。毛泽东还特意为他送了一盒寿糕，盒子上面亲笔写了“坚强的老战士”六个字。徐特立把这盒寿糕拿出来招待客人和大家分享。第二天，1月10日（即农历12月19日）瑞雪纷飞，大地冰清玉洁。延安各界人士冒着严寒，纷纷来到中央大礼堂，参加徐老的祝寿大会。大会由朱德主持，毛泽东等中央负责同志都到会祝寿。会上宣读了党中央的贺信。这一天，《解放日报》出版了庆祝徐特立七十大寿的特刊，上面有党中央的贺信，有毛泽东、刘少奇、周恩来、朱德和彭德怀等中央领导同志的题词，有谢觉哉的贺信，有陆定一、熊瑾玎、黄炎培、田汉和续范亭的诗词（后来，有关部门还把这些诗词汇编出版了）。新华社就大会的盛况发了消息。此外，重庆的《新华日报》和晋察冀边区的《晋绥日报》都发表了祝贺的文章。当时在国民党统治下的上海，许多进步人士也举行了宴会为之祝贺。所有这些，都说明了徐特立受到全党全国人民的衷心爱戴。这是徐特立的光荣，也是全党的光荣。
同年3月，国民党胡宗南军队大举进攻陕甘宁边区，党中央机关决定撤出延安，安排徐特立参加以刘少奇为首的中央委员会工作团，去晋察冀解放区开展工作。
徐特立在晋察冀边区，曾一度住在阜平县胭脂河畔的温塘村，领导边区的宣传教育机关，着手接管新解放区大量的中、小学校，组织编写和审查新的教材。
1949年3月，党中央在平山县西柏坡举行了七届二中全会，会议着重讨论确定了党对夺取全国胜利以及胜利后的一些基本政策，全会决定党的工作重点由乡村转移到城市。徐特立参加了这次重要会议。会后不久，他即随同党中央和人民解放军总部进入北京，以充沛的革命热情，为建设新中国继续奋斗。